RU2165531C1 - Downhole screw motor geared-rotor mechanism - Google Patents
Downhole screw motor geared-rotor mechanism Download PDFInfo
- Publication number
- RU2165531C1 RU2165531C1 RU2000108941/06A RU2000108941A RU2165531C1 RU 2165531 C1 RU2165531 C1 RU 2165531C1 RU 2000108941/06 A RU2000108941/06 A RU 2000108941/06A RU 2000108941 A RU2000108941 A RU 2000108941A RU 2165531 C1 RU2165531 C1 RU 2165531C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- teeth
- stator
- rotor
- tooth
- helical teeth
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Rotary Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике строительства скважин, а именно к героторным механизмам винтовых забойных двигателей для бурения нефтяных и газовых скважин, и может быть использовано также в винтовых насосах для добычи нефти и перекачивания жидкости. The invention relates to techniques for well construction, and in particular, to gerotor mechanisms of downhole screw motors for drilling oil and gas wells, and can also be used in screw pumps for oil production and pumping liquids.
Известен многозаходный винтовой героторный механизм винтового забойного двигателя (см. авт. свид. N 436944, опубл. БИ N 27 за 1974 г.), содержащий рабочие органы в виде статора с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала, например из резины, и ротора с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине высоты зуба. Профили зубьев ротора и статора построены с использованием внецентроидного гипоциклоидального зацепления. Для создания минимального контактного давления в паре "ротор - статор" рабочие органы выполнены с отношением величины эксцентриситета зацепления к радиусу впадины зуба статора 0,3 - 0,85 и с отношением эксцентриситета зацепления к радиусу подвижной начальной окружности 0,9 - 0,98. Known multi-helical screw gerotor mechanism of a helical downhole motor (see ed. Certificate N 436944, publ. BI N 27 for 1974), containing working bodies in the form of a stator with internal helical teeth made of elastic material, such as rubber, and a rotor with external helical teeth, the number of which is one less than that of the stator. The rotor axis is offset relative to the stator axis by an eccentricity equal to half the height of the tooth. The tooth profiles of the rotor and stator are constructed using eccentric hypocycloidal engagement. To create a minimum contact pressure in the rotor-stator pair, the working bodies are made with a ratio of the magnitude of the eccentricity of the mesh to the radius of the cavity of the tooth of the stator 0.3 - 0.85 and with a ratio of the eccentricity of the mesh to the radius of the moving initial circle 0.9 - 0.98.
Недостатком многозаходного винтового героторного механизма винтового забойного двигателя является то, что при оценке минимального контактного давления не учитывался пространственный характер винтового зацепления, в результате чего при малых значениях хода винтовой линии статора возникали условия, приводящие к самоторможению механизма. A disadvantage of the multi-start screw gerotor mechanism of a downhole screw motor is that when evaluating the minimum contact pressure, the spatial nature of the helical engagement was not taken into account, as a result of which, at small values of the stator helix stroke, conditions arose that led to the mechanism self-braking.
Указанный недостаток частично устранен в известном героторном механизме винтового забойного двигателя (см. патент СССР 926209, опубл. 07.05.82; БИ N 17), имеющем рабочие органы, содержащие статор с внутренними винтовыми зубьями из упругоэластичного материала и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше, чем у статора. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев. Профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Для исключения явления самоторможения в механизме и улучшения его пусковых характеристик шаг t винтовой поверхности рабочего органа и средний диаметр Dср винтовой поверхности рабочего органа связаны соотношением t/Dср = 5,5 - 12.This drawback is partially eliminated in the well-known gerotor mechanism of a downhole screw motor (see USSR Patent 926209, publ. 07.05.82; BI N 17), having working bodies containing a stator with internal helical teeth made of elastic material and a rotor with external helical teeth, number which are one less than the stator. The rotor axis is offset relative to the stator axis by an eccentricity equal to half the radial height of the teeth. The profiles of the outer teeth of the rotor and the internal teeth of the stator in the end section are mutually bent, and the moves of the helical teeth of the rotor and stator are proportional to their number of teeth. To eliminate the phenomenon of self-braking in the mechanism and improve its starting characteristics, the pitch t of the helical surface of the working body and the average diameter D cf of the helical surface of the working body are connected by the ratio t / D cf = 5.5 - 12.
Вышеуказанный героторный механизм удовлетворительно работает в винтовом забойном двигателе во всех режимах, кроме режима, близкого к тормозному. Как показали многочисленные стендовые испытания, в режиме работы двигателя, близком к тормозному, изгибная жесткость зуба статора, подверженного действию окружных сил и перепада давления, оказывалась недостаточной для обеспечения нормальной работы механизма, так как под действием перепада давления и окружных сил зубья статора получали чрезмерную деформацию и происходило "заклинивание" зубьев ротора сдеформированными зубьями статора, что приводило к полному торможению двигателя. При этом развиваемый двигателем вращающий момент при полной остановке двигателя оказывался ниже, чем в фазе, предшествующей моменту остановки. Если после остановки двигателя нагрузочный момент от тормоза снимался без выключения насосов, то двигатель вновь не запускался. Если же насосы выключались, то при их повторном включении запуск двигателя происходил беспрепятственно. Это свидетельствует о реальности описанного механизма заклинивания ротора зубьями статора. Анализ экспериментальных данных показал, что чрезмерная изгибная деформация зубьев статора приводит к снижению энергетической характеристики, надежности и долговечности героторного механизма и является следствием неудовлетворительных соотношений геометрических параметров профиля зубьев статора. The above-mentioned gerotor mechanism works satisfactorily in a downhole screw motor in all modes, except for a mode close to braking. As shown by numerous bench tests, in the engine operating mode close to braking, the bending stiffness of the stator tooth, subject to the action of circumferential forces and pressure drop, was insufficient to ensure the normal operation of the mechanism, since under the influence of pressure and circumferential forces the stator teeth received excessive deformation and there was a “jamming” of the rotor teeth with deformed stator teeth, which led to complete engine braking. In this case, the torque developed by the engine when the engine was completely stopped turned out to be lower than in the phase preceding the stop moment. If, after the engine was stopped, the load moment from the brake was removed without turning off the pumps, then the engine did not start again. If the pumps were turned off, then when they were turned on again, the engine started unhindered. This indicates the reality of the described mechanism of jamming of the rotor with the teeth of the stator. The analysis of experimental data showed that excessive bending deformation of the stator teeth leads to a decrease in the energy characteristics, reliability and durability of the gerotor mechanism and is the result of unsatisfactory ratios of the geometric parameters of the stator tooth profile.
Задачей настоящего изобретения является создание героторного механизма винтового забойного двигателя, в котором устранены указанные недостатки и который обеспечивает повышение энергетической характеристики, надежности и долговечности за счет повышения изгибной жесткости зубьев статора. An object of the present invention is to provide a gerotor mechanism for a downhole screw motor, in which the indicated drawbacks are eliminated and which provides an increase in energy performance, reliability and durability by increasing the bending stiffness of the stator teeth.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном героторном механизме винтового забойного двигателя, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, причем ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета, равную половине радиальной высоты зубьев, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцовом сечении выполнены взаимоогибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, согласно изобретению в торцевом сечении, перпендикулярном оси героторного механизма, толщина Ct зуба статора по среднему диаметру Dср зубьев и окружной шаг St этих зубьев связаны соотношением:
Ct/St = 0,45 - 0,65,
а толщина CN зуба статора по среднему диаметру Dср зубьев в нормальном сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба статора на этом же диаметре, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением:
CN/h ≥ 1,75
Выполнение отношения Ct/St = 0,45 - 0,65 обеспечивает форму зуба статора в торцевом сечении, оптимальную с точки зрения восприятия изгибных нагрузок, действующих со стороны ротора, и в то же время обеспечивает благоприятную форму зуба ротора для передачи контактных нагрузок.The problem is solved due to the fact that in the well-known gerotor mechanism of a downhole screw motor containing a stator with internal helical teeth made of an elastic material, for example rubber, and a rotor with external helical teeth, the number of which is one less than the number of stator teeth, the axis the rotor is offset relative to the stator axis by an eccentricity equal to half the radial height of the teeth, the profiles of the outer teeth of the rotor and the internal teeth of the stator in the end section are mutually Bai and moves the screw rotor and stator teeth are proportional to numbers of their teeth, according to the invention in end section perpendicular to the axis of the gerotor mechanism, thickness C t of the stator tooth average diameter D cf. teeth and circular pitch S t of these teeth are related by:
C t / S t = 0.45 - 0.65,
and the thickness C N of the stator tooth along the average diameter D cf teeth in a normal section perpendicular to the direction of the helix of the stator tooth at the same diameter, and the radial height h of the stator tooth are related by the ratio:
C N / h ≥ 1.75
The fulfillment of the ratio C t / S t = 0.45 - 0.65 ensures the shape of the stator tooth in the end section, optimal from the point of view of perception of bending loads acting on the rotor side, and at the same time provides a favorable shape of the rotor tooth for transferring contact loads .
При выполнении отношения Ct/St меньше 0,45 толщина зуба статора уменьшается и становится недостаточной для восприятия окружных сил, действующих со стороны ротора.When the ratio C t / S t is less than 0.45, the thickness of the stator tooth decreases and becomes insufficient for the perception of the circumferential forces acting on the rotor side.
Если отношение Ct/St больше 0,65, то это приводит к получению заостренного зуба ротора с малым радиусом кривизны у вершины зуба, что приводит к увеличению контактных напряжений в зацеплении и повышенному износу зубьев.If the ratio C t / S t is more than 0.65, then this leads to a pointed rotor tooth with a small radius of curvature at the top of the tooth, which leads to an increase in contact stresses in the engagement and increased wear of the teeth.
Выполнение зуба статора в нормальном сечении, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба, с отношением CN/h ≥ 1,75 определяет повышение устойчивости зуба статора к изгибу под действием перепада давления.The execution of the stator tooth in a normal section, perpendicular to the direction of the helix of the tooth, with a ratio of C N / h ≥ 1.75 determines the increase in bending stability of the stator tooth under the influence of a pressure drop.
Если отношение CN/h < 1,75, то изгибная жесткость зуба статора при его деформировании под действием перепада давления становится недостаточной для устойчивой работы винтового героторного механизма в режиме, близком к тормозному.If the ratio C N / h <1.75, then the bending stiffness of the stator tooth when it is deformed under the influence of a pressure differential becomes insufficient for the stable operation of the screw gerotor mechanism in a mode close to braking.
На фиг. 1 показан героторный механизм винтового забойного двигателя в продольном разрезе; ротор частично оборван для показа направления винтовых зубьев статора; на фиг. 2 приведено поперечное сечение героторного механизма винтового забойного двигателя по линии А - А;
на фиг. 3 приведен в увеличенном масштабе профиль зуба статора в торцевом сечении А-А, перпендикулярном оси механизма, совмещенный с профилем зуба статора в нормальном сечении N-N, перпендикулярном направлению винтовой линии зуба.In FIG. 1 shows a gerotor mechanism of a downhole screw motor in longitudinal section; the rotor is partially cut off to show the direction of the helical teeth of the stator; in FIG. 2 shows a cross section of the gerotor mechanism of a downhole screw motor along line A - A;
in FIG. 3 shows on an enlarged scale the stator tooth profile in the end section AA, perpendicular to the axis of the mechanism, combined with the stator tooth profile in the normal section NN, perpendicular to the direction of the helix of the tooth.
Героторный механизм винтового забойного двигателя (фиг. 1 и 2) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2, выполненными из упругоэластичного материала, например из резины, и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых Zр на единицу меньше числа Zст внутренних винтовых зубьев 2 статора 1. Ось O1O1 ротора 3 смещена относительно оси O2O2 статора 1 на величину эксцентриситета E, равную половине радиальной высоты h зубьев 2 и 4. Профили наружных винтовых зубьев 4 ротора 3 и внутренних винтовых зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимоогибаемыми. Взаимоогибаемость профилей зубьев 4 и 2 соответственно ротора 3 и статора 1 может быть достигнута, например, выполнением профиля зубьев 2 статора 1 по эквидистанте укороченной гипоциклоиды, а профиль зубьев 4 ротора 3 при этом образуется как огибающая профиля зубьев 2 статора 1 при качении без скольжения центроиды статора радиуса a = EZст по центроиде ротора радиуса b = Е Zр. Ход Tр винтовой линии зубьев 4 ротора 3 и ход Tст винтовой линии зубьев 2 статора 1 пропорциональны числам зубьев этих элементов Zр и Zст. Может быть использован и иной метод формообразования зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3, например, от исходного контура циклоидальной рейки по дугам окружностей или другие методы, обеспечивающие взаимоогибаемость профилей.The gerotor mechanism of a downhole screw motor (Figs. 1 and 2) comprises a
В торцевом сечении героторного механизма (фиг. 3), перпендикулярном оси O2O2 героторного механизма, толщина Ct зуба 2 статора 1 по среднему диаметру Dср зубьев 2 и окружной шаг St этих зубьев связаны соотношением:
Ct/St = 0,45 ÷ 0,65.In the end section of the gerotor mechanism (Fig. 3), perpendicular to the axis O 2 O 2 of the gerotor mechanism, the thickness C t of the tooth 2 of the
C t / S t = 0.45 ÷ 0.65.
В нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии М - М зуба 2 статора 1, толщина CN зуба 2 статора 1 по среднему диаметру Dср зубьев 2 и радиальная высота h (h = 2E) зуба 2 статора 1 связаны соотношением:
CN/h ≥ 1,75.In a normal section N - N, perpendicular to the direction of the helical line M - M of
C N / h ≥ 1.75.
В верхней части статор 1 снабжен резьбой 5 для присоединения к колонне бурильных труб (не показаны), в нижней части статор 1 снабжен резьбой 6 для соединения с корпусом опорного узла (последний не показан), а ротор 3 резьбой 7 соединен с валом опорного узла (не показан). In the upper part, the
Героторный механизм винтового забойного двигателя работает следующим образом. Промывочная жидкость, подаваемая с поверхности по колонне бурильных труб, поступает в верхнюю часть героторного механизма, и в результате винтового направления зубьев 2 и 4 статора 1 и ротора 3 под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор 3 приводится во вращение, при этом его ось O1O1 вращается вокруг оси O2O2 статора 1 против часовой стрелки по окружности радиуса E, а сам ротор 3 поворачивается относительно своей оси O1O1 по часовой стрелке с уменьшенной в Zр раз угловой скоростью. Окружная сила, соответствующая развиваемому крутящему моменту, воспринимается эластомерными зубьями 2 статора 1 в меру их изгибной жесткости в торцевом сечении, определяемой отношением толщины Ct зуба 2 статора 1 по среднему диаметру Dср зубьев 2 к окружному шагу St, которое находится в пределах (0,45 - 0,65). Зубья 2 статора 1 подвергаются также действию межвиткого перепада давления и способность зубьев 2 противостоять деформациям от действия давления определяется отношением толщины CN зуба 2 статора 1 по среднему диаметру Dср зубьев 2 в нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии M - M зуба 2 статора 1, к радиальной высоте h зуба 2 статора 1 (CN/h ≥ 1,75).Gerotor mechanism of a downhole screw motor operates as follows. The flushing fluid supplied from the surface through the drill pipe string enters the upper part of the gerotor mechanism, and as a result of the helical direction of the
Как показали экспериментальные исследования, при выполнении зубьев 2 статора 1 в соответствии с вышеуказанными соотношениями за счет повышения изгибной жесткости зубьев героторный механизм винтового забойного двигателя имеет повышенные КПД и эффективную мощность, а случаи незапуска двигателя после его полного торможения отсутствуют. As experimental studies have shown, when
Claims (1)
Ct/St = 0,45 - 0,65,
а толщина CN зуба статора по среднему диаметру Dср зубьев в нормальном сечении N - N, перпендикулярном направлению винтовой линии M - M зуба статора, и радиальная высота h зуба статора связаны соотношением
CN/h ≥ 1,75.The gerotor mechanism of a downhole screw motor, comprising a stator with internal helical teeth made of an elastic material, such as rubber, and a rotor with external helical teeth, the number of which is one less than the number of stator teeth, the rotor axis being offset relative to the stator axis by the amount of eccentricity equal to half the radial height of the teeth, the profiles of the outer teeth of the rotor and the inner teeth of the stator in the end section are mutually bent, and the moves of the helical teeth of the rotor and stator are proportional -trivial numbers of their teeth, characterized in that the end-face section perpendicular to axis O 2 O 2 gerotor mechanism, thickness C t of the stator tooth average diameter D cf. teeth and circular pitch S t of these teeth are related by
C t / S t = 0.45 - 0.65,
and the thickness C N of the stator tooth along the average diameter D cf of the teeth in a normal section N - N, perpendicular to the direction of the helical line M - M of the stator tooth, and the radial height h of the stator tooth are related by
C N / h ≥ 1.75.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000108941/06A RU2165531C1 (en) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | Downhole screw motor geared-rotor mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000108941/06A RU2165531C1 (en) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | Downhole screw motor geared-rotor mechanism |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2165531C1 true RU2165531C1 (en) | 2001-04-20 |
Family
ID=20233121
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000108941/06A RU2165531C1 (en) | 2000-04-12 | 2000-04-12 | Downhole screw motor geared-rotor mechanism |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2165531C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004085798A1 (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-07 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostyu Firma 'radius-Servis' | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine |
-
2000
- 2000-04-12 RU RU2000108941/06A patent/RU2165531C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004085798A1 (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-07 | Obschestvo S Ogranichennoi Otvetstvennostyu Firma 'radius-Servis' | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine |
US7226279B2 (en) | 2003-03-25 | 2007-06-05 | Obschestvi S Ogranichennoi Otvetstvennostyu “Firma Radius-Servis” | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101664512B1 (en) | Tooth profile for rotors of positive displacement external gear pumps | |
EP1612370B1 (en) | Gerotor mechanism for a screw hydraulic machine | |
US6716008B1 (en) | Eccentric screw pump with expanded temperature range | |
RU2283442C1 (en) | Stator of screw gerotor hydraulic machine | |
RU2165531C1 (en) | Downhole screw motor geared-rotor mechanism | |
CN1316162C (en) | Medium-high pressure gear pump having asymmetric double-circular-arc gear shape | |
RU2202694C1 (en) | Screw hydraulic machine helical gear rotation mechanism | |
RU2309237C1 (en) | Gerotor mechanism for hydraulic screw-rotor machine | |
US10895256B2 (en) | Stator and rotor profile for improved power section performance and reliability | |
US6093004A (en) | Pump/motor apparatus using 2-lobe stator | |
RU2304688C2 (en) | Gerotor fluid drive or pump | |
RU2166603C1 (en) | Gerotor mechanism of screw face hydraulic machine | |
RU2011778C1 (en) | Screw face motor | |
RU2287655C1 (en) | Screw downhole motor | |
RU55050U1 (en) | DEVICE FOR PUMPING GAS-LIQUID MIXTURES DURING TECHNOLOGICAL OPERATIONS IN WELLS | |
RU2194880C2 (en) | Multistart gyrator mechanism of screw hydraulic machine | |
RU2345208C1 (en) | Gerotor machine | |
RU71698U1 (en) | GEROTOR MECHANISM OF SCREW BOTTOM ENGINE | |
RU2232860C2 (en) | Gyrator hydraulic motor | |
JP3132631B2 (en) | Internal oil pump rotor | |
RU2321768C1 (en) | Screw hydraulic gerotor motor | |
RU2387783C1 (en) | Screw downhole motor | |
EP0173778A1 (en) | Improvements relating to pumps | |
RU116557U1 (en) | GEROTOR MECHANISM OF A SCREW BOTTOM ENGINE (OPTIONS) | |
RU31261U1 (en) | Screw motor downhole motor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040413 |
|
NF4A | Reinstatement of patent | ||
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170413 |